鐵路治沙HDPE網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算

程建軍，王 瑞，王 連，高 麗，丁錄勝，丁泊淞

(1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003;2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

HDPE網(wǎng)(高密度聚乙烯樹脂纖維網(wǎng))作為一種新型的防沙材料，與其他類型的防沙材料相比，具備耐久性持久、防風(fēng)阻沙效益優(yōu)良且可大批工業(yè)化生產(chǎn)和快速施工等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊[1]。隨著風(fēng)沙地區(qū)鐵路建設(shè)的快速推進(jìn)，大量HDPE網(wǎng)沙障取代了即有的混凝土式擋沙墻和擋沙柵欄。

近年來，針對(duì)HDPE網(wǎng)防沙特性的研究逐漸開展起來，屈建軍等基于HDPE網(wǎng)的風(fēng)洞測(cè)試發(fā)現(xiàn)HDPE網(wǎng)兼有疏透和通風(fēng)2種形式，其最佳孔隙度為40%～45%，保護(hù)區(qū)達(dá)30h(h為沙障的高度)以上，并通過野外監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了HDPE網(wǎng)阻沙、導(dǎo)沙的良好功能[2-3]；張可存等[4]通過對(duì)不同孔隙度網(wǎng)的風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，探求輸沙量與孔隙度和風(fēng)速二者之間的關(guān)系，最終確定網(wǎng)防沙效益的最佳孔隙度在40%左右；汪萬福等[5]通過對(duì)敦煌莫高窟頂HDPE網(wǎng)的野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)的阻沙效益與沙源供給關(guān)系密切，沙源充足時(shí)以風(fēng)積為主，相反，則出現(xiàn)較強(qiáng)的風(fēng)蝕作用?？偨Y(jié)以上研究發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)HDPE網(wǎng)的防風(fēng)阻沙性能研究主要集中在野外觀測(cè)和室內(nèi)風(fēng)洞測(cè)試，都無法得到網(wǎng)式沙障前后的流場(chǎng)演化規(guī)律和特征[6-9]。

解決這一問題的另一途徑是采用數(shù)值模擬計(jì)算，而采用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)網(wǎng)的防沙特性進(jìn)行研究鮮見文獻(xiàn)。針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的漁網(wǎng)，趙云鵬等[10]通過多孔介質(zhì)模型對(duì)水流作用下平面網(wǎng)周圍流場(chǎng)的模擬；黃小華、Tang M F等[11-12]基于數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)水流作用下網(wǎng)動(dòng)態(tài)變形及受力平衡后空間分布的模擬分析；Bi C W等[13]采用集中質(zhì)量法和多孔介質(zhì)模型對(duì)漁網(wǎng)的模擬；Chen H等[14]對(duì)漁網(wǎng)采用多孔介質(zhì)模型時(shí)阻力系數(shù)如何確定進(jìn)行了研究。以上研究針對(duì)水流和漁網(wǎng)的互饋機(jī)理，對(duì)針對(duì)網(wǎng)防風(fēng)固沙的數(shù)值模擬計(jì)算研究具有借鑒意義。

針對(duì)防風(fēng)固沙網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算有以下幾處難點(diǎn): ①若建立與野外網(wǎng)式沙障同樣尺度的計(jì)算模型，則網(wǎng)模型的網(wǎng)格劃分及后期計(jì)算都較為困難；②采用流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算方法進(jìn)行網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算又存在諸多設(shè)定參數(shù)需要先進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，而在這方面工作尚未開展；③針對(duì)具體的網(wǎng)模擬計(jì)算問題，有多種模型可供選擇，針對(duì)防風(fēng)阻沙用途的網(wǎng)模型適用性問題尚未解決。

本文對(duì)HDPE網(wǎng)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試，將其作為基準(zhǔn)參考。同時(shí)在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行了網(wǎng)的壓降規(guī)律測(cè)試，獲取數(shù)值模擬計(jì)算所需的壓降—速度關(guān)系參數(shù)。然后進(jìn)行不同物理模型條件下HDPE網(wǎng)的流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，研究分析各種模型條件下的參數(shù)設(shè)置、計(jì)算關(guān)鍵步驟，以及各種計(jì)算模式的合理選擇方法。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 風(fēng)洞測(cè)試原理及HDPE網(wǎng)模型布置

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣野外風(fēng)洞進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流吹氣式風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面1.3 m×1.0 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)8 m，試驗(yàn)風(fēng)速0～20 m·s-1連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)中采用皮托管和微差壓變送器組成的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定風(fēng)速，同時(shí)通過風(fēng)速模擬系統(tǒng)軟件讀取風(fēng)速數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)由不同高度的(h0=1，2，3，5，7，9，10，30和50 cm)10個(gè)精細(xì)皮托管組成(圖1)。HDPE網(wǎng)模型高為8 cm，選用網(wǎng)的規(guī)格為JZSPE800Lu32，開口率約為55%，絲徑為0.32 mm，平均孔目尺寸為0.98×1.14 mm，經(jīng)緯向強(qiáng)度約為900 N/50 mm。

圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)及網(wǎng)的布置示意圖

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，主要取決于風(fēng)洞模擬條件與野外實(shí)際情況的相似程度，要使風(fēng)洞流場(chǎng)與野外流場(chǎng)之間具備相似性，即滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。在幾何相似方面，考慮到風(fēng)洞湍流附面層與地球貼地邊界層的尺度之比，為了避免風(fēng)洞洞壁對(duì)流場(chǎng)干擾，模型布置面積要求小風(fēng)洞橫截面的6%，當(dāng)采用網(wǎng)模型高度比例尺為1∶20時(shí)滿足要求；運(yùn)動(dòng)相似方面，主要考慮流態(tài)和風(fēng)速廓線相似，流態(tài)相似要求考慮雷諾數(shù)Re，該風(fēng)洞在試驗(yàn)風(fēng)速下Re≈105～106，流態(tài)為完全湍流，可達(dá)到自模擬要求，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速廓線滿足對(duì)數(shù)分布；動(dòng)力相似方面，由于風(fēng)洞中無溫度層結(jié)控制裝置，僅模擬中性層結(jié)條件，試驗(yàn)不涉及自由表面流動(dòng)，弗勞德數(shù)Fr相似可不予考慮。因此，本試驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似條件。

在特定入口風(fēng)速條件下，在水平距離上測(cè)試網(wǎng)前10h，5h，1h，0.5h，0h及網(wǎng)后0.5h，2h，3h，20h等共12個(gè)位置點(diǎn)的風(fēng)速剖面，每個(gè)風(fēng)速剖面在垂直高度采用畢托管采集1～50 cm范圍內(nèi)的風(fēng)速值(見圖1)。在數(shù)值計(jì)算中需要設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，其中網(wǎng)體前后的壓降—速度比是HDPE網(wǎng)數(shù)值計(jì)算必須參數(shù)，為了進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算，在風(fēng)洞里進(jìn)行了壓降測(cè)試試驗(yàn)，壓降測(cè)試采用直徑20 cm的圓管，HDPE網(wǎng)置于管中，逐級(jí)增大風(fēng)速，測(cè)試HDPE網(wǎng)的迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)的壓力值如圖2所示。壓降測(cè)試是為了求解壓降公式中的內(nèi)部慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)，流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算壓降公式為

(1)

圖2 風(fēng)洞內(nèi)網(wǎng)的壓降測(cè)試

1.2 HDPE網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

為與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析，在風(fēng)洞測(cè)試中僅選擇10 m·s-1為入口風(fēng)速，為突出網(wǎng)體前后局部區(qū)域速度變化，在風(fēng)洞測(cè)試數(shù)據(jù)中僅提取水平距離上網(wǎng)前3h和網(wǎng)后5h范圍以內(nèi)的風(fēng)速剖面，風(fēng)速剖面高度范圍在1～30 cm內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪制局部流場(chǎng)如圖3所示。

圖3 HDPE網(wǎng)的流場(chǎng)分區(qū)(局部)

風(fēng)洞內(nèi)HDPE網(wǎng)的壓降測(cè)試選擇6，8，10，12，14和16 m·s-1共6組風(fēng)速，分別測(cè)定網(wǎng)前及網(wǎng)后0.1 cm處的壓力值，采用多項(xiàng)式擬合方法處理得到不同風(fēng)速下壓降關(guān)系，同時(shí)對(duì)壓降數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到的多項(xiàng)式方程為Δp=0.215 9v2+0.846 9v，相關(guān)系數(shù)R值0.965 2，表明擬合效果較好(圖4)。利用系列壓降數(shù)據(jù)并結(jié)合多孔介質(zhì)模型理論經(jīng)典式(1)可推算出得內(nèi)部慣性阻力系數(shù)C2為1 305.39；黏性阻力系數(shù)1/α為175 298 982.9，這2個(gè)參數(shù)是本次試驗(yàn)所采用的HDPE網(wǎng)的流體力學(xué)性能參數(shù)，在后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算中作為輸入?yún)?shù)，其數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果才真實(shí)可靠。

圖4 HDPE網(wǎng)的壓降與速度關(guān)系

2 HDPE網(wǎng)數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算原理

在運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)一些實(shí)際問題進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)置合理的工作環(huán)境、邊界條件以及選擇恰當(dāng)?shù)乃惴ㄊ钦_計(jì)算的前提條件，其中算法的選擇對(duì)模擬計(jì)算效率起到至關(guān)重要的作用。目前，對(duì)針對(duì)復(fù)雜工程計(jì)算問題，區(qū)域離散化算法不失為可靠的選擇。區(qū)域離散化即采用合理的網(wǎng)格劃分方法產(chǎn)生1組有限個(gè)離散的點(diǎn)(單元)代替原來連續(xù)的空間，常用的離散化方法有有限差分法、有限單元法和有限體積法，以下采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法進(jìn)行模擬計(jì)算。

在數(shù)值模擬計(jì)算中，必須滿足數(shù)值計(jì)算應(yīng)遵循的方程組即質(zhì)量守恒方程與動(dòng)量守恒方程，同時(shí)必須確定κ-ε兩方程的計(jì)算系數(shù)。針對(duì)網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算需要進(jìn)一步對(duì)動(dòng)量守恒方程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行推算。HDPE網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算中，需要特別闡述動(dòng)量守恒方程中源項(xiàng)意義，動(dòng)量守恒方程如下。

(2)

式中：τij為應(yīng)力張量；p為壓力；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

式(2)中，F(xiàn)i稱為相關(guān)計(jì)算模型的源項(xiàng)，源項(xiàng)由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)2個(gè)部分組成，在HDPE網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算中Fi即為式(1)的壓降值。

對(duì)于κ-ε兩方程中常用的5個(gè)紊流計(jì)算系數(shù)，Cμ，C1ε，C2ε，σk和σε，大量氣固流體文獻(xiàn)顯示，其取值較為一致，分別0.09，1.44，1.92，1.0和1.3。κ-ε兩方程屬于高雷諾數(shù)積分到壁面的不可壓縮湍流渦黏性模式，要求第1層網(wǎng)格位于湍流充分發(fā)展區(qū)域，故不必對(duì)邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，控制方程組采用有限體積法。擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用2階迎風(fēng)差分格式，采用分離隱式求解器求解代數(shù)方程組，SIMPLEC算法耦合連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[15]。

2.2 模擬計(jì)算關(guān)鍵設(shè)置步驟

在數(shù)值計(jì)算中，自由邊界計(jì)算區(qū)域的確定對(duì)計(jì)算結(jié)果有很大影響。計(jì)算區(qū)域選取過小，則無法真實(shí)反映實(shí)際的開放無界信息，導(dǎo)致計(jì)算誤差大甚至失真；而選取足夠大的計(jì)算區(qū)域，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量龐大，大量數(shù)值計(jì)算研究證明，過流斷面在滿足阻塞率小于6%時(shí)，模擬計(jì)算較為符合真實(shí)的流動(dòng)情況。本次模擬計(jì)算為滿足過流斷面阻塞率要求，流體計(jì)算域選用風(fēng)洞斷面尺寸一致，將計(jì)算域指定為8 000 mm×1 300 mm×1 000 mm的長(zhǎng)方體區(qū)域。

選擇基于壓力的求解器進(jìn)行求解，而壓力—速度的耦合方法應(yīng)該選擇適用于定常不可壓縮流體且收斂性較好的SIMPLEC方法，湍流具體表示方法采用流體動(dòng)力學(xué)常用的湍流強(qiáng)度和水力直徑表示。在空間離散化方法選擇上面，為使結(jié)果精度較高，用1階迎風(fēng)格式計(jì)算收斂后作為初始值，然后采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。

2.3 HDPE網(wǎng)數(shù)值模擬計(jì)算方法

2.3.1 多孔介質(zhì)模型方法

在高雷諾數(shù)條件下的三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是比較困難的，要求網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)在不影響計(jì)算速度的情況下盡量多，即網(wǎng)格劃分要盡可能的密集，從而提高差值型函數(shù)階數(shù)，以達(dá)到提高精度的目的。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，模擬計(jì)算顯示，在計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于104個(gè)時(shí)，計(jì)算精度可達(dá)到要求。劃分網(wǎng)格前，在DESIGNMODELER(簡(jiǎn)稱DM)中，通過切片操作將計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分，定位出多孔介質(zhì)區(qū)域，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚恚愿玫剡M(jìn)行網(wǎng)格生成，如圖5所示。

圖5 DM建模示意圖

模擬計(jì)算選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程，壓力—速度耦合選擇定常不可壓縮且收斂性較好的SIMPLEC方法。對(duì)于多孔介質(zhì)區(qū)域的計(jì)算參數(shù)設(shè)置，通過網(wǎng)的壓降測(cè)試數(shù)據(jù)獲得，黏性阻力系數(shù)1/α為175 298 982.9，內(nèi)部慣性阻力系數(shù)C2為1 305.39。計(jì)算模型入口選擇速度入口條件(velocity-inlet)，出口選擇壓力出口條件(pressure-outlet)，由于計(jì)算區(qū)域滿足阻塞率的要求且采用廓線風(fēng)速入口條件，故其他邊界均設(shè)為滑移壁面條件。絕對(duì)收斂標(biāo)準(zhǔn)小于10-3，并選擇入口初始化條件，以滿足在開始計(jì)算時(shí)，每個(gè)網(wǎng)格均從以入口條件的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算收斂結(jié)束后，利用TECPLOT進(jìn)行后處理，速度局部流場(chǎng)圖如圖6所示。

圖6 多孔介質(zhì)模型條件下的流場(chǎng)

從圖6可以看出：在入口廓線風(fēng)速條件下，氣流經(jīng)過以多孔介質(zhì)模型代替的實(shí)體網(wǎng)后，流場(chǎng)變化較為明顯；從流線的變化看，由于多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)存在內(nèi)部阻力和黏性阻力，僅有部分氣流可以通過多孔區(qū)域，多孔區(qū)域的迎風(fēng)側(cè)流線發(fā)生擠壓變化，越過多孔區(qū)域的氣流會(huì)有一定速度的增加，并且由于氣流向上抬升，會(huì)在多孔介質(zhì)區(qū)域后產(chǎn)生回流，從多孔區(qū)域透過的氣流會(huì)抵消這部分回流，導(dǎo)致渦流區(qū)消失，即網(wǎng)體將來流分為滲流風(fēng)和繞流風(fēng)兩部分；多孔介質(zhì)模型的設(shè)置，使氣流在網(wǎng)體后變化較大，速度得到較大的削弱，但網(wǎng)體后速度梯度較小。

2.3.2 壓力跳躍模型方法

壓力跳躍模型建立過程中，通過創(chuàng)建一矩形面域以承載壓力跳躍條件。采用四面體網(wǎng)格(Tetrahedrons)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)為100 mm,并對(duì)壓力跳躍面域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，設(shè)置其網(wǎng)格尺寸為10!mm，如圖7所示。

圖7 采用四面體方法劃分的計(jì)算域網(wǎng)格

模擬仍計(jì)算選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程模型，壓力—速度耦合選擇定常不可壓縮且收斂性較好的SIMPLEC方法。區(qū)域條件不需設(shè)置，多孔跳躍模型會(huì)在邊界條件生成baffle條件，此時(shí)，編輯baffle，設(shè)置壓力跳躍系數(shù)為1 305.39。計(jì)算模型入口選擇速度入口條件(velocity-inlet)，出口選擇壓力出口條件(pressure-outlet)，調(diào)用同樣以10 m·s-1為梯度風(fēng)速的廓線風(fēng)速，其他壁面均設(shè)為滑移壁面條件?？刂朴?jì)算時(shí)監(jiān)視殘差標(biāo)準(zhǔn)不大于10-3，選擇從入口進(jìn)行初始化計(jì)算。模擬計(jì)算收斂后，通過TECPLOT進(jìn)行后處理，其部分流場(chǎng)圖如圖8所示。

圖8 壓力跳躍模型條件下的流場(chǎng)

從圖8可以看出：壓力跳躍模型的設(shè)置，同樣會(huì)使廓線氣流發(fā)生明顯的變化，對(duì)實(shí)體網(wǎng)的替代具有一定的可行性；壓力跳躍面域的存在，阻礙了部分氣流的穩(wěn)定流動(dòng)，導(dǎo)致壓力跳躍面前部分流線發(fā)生變化，越過矩形面域頂部后，形成一定的加速區(qū)，壓力跳躍面域后的部分回流與從壓力跳躍面域透過的氣流混合后，形成較為均勻的低風(fēng)速區(qū)，越接近底部速度越小。

2.3.3 實(shí)體網(wǎng)模型

利用CAD陣列方法建立實(shí)體網(wǎng)，如圖9所示。

圖9 CAD建立的實(shí)體模型

實(shí)體模型采用便于數(shù)值計(jì)算的截面為1 mm×1 mm的長(zhǎng)方體代替實(shí)際的網(wǎng)的經(jīng)緯絲。網(wǎng)體的實(shí)體建模困難在于結(jié)構(gòu)的多重性，其次是網(wǎng)格劃分的困難性以及計(jì)算的耗時(shí)性，文中僅模擬1 mm×400 mm×80 mm的單片網(wǎng)，其計(jì)算過程耗時(shí)超過了其他模型計(jì)算的10倍，完成的網(wǎng)格及相關(guān)信息見表1。

表1 網(wǎng)格劃分相應(yīng)參數(shù)值

計(jì)算選擇標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程，壓力—速度耦合選擇定常不可壓縮且收斂性較好的SIMPLEC方法。入口速度依然采用廓線風(fēng)速形式。殘差監(jiān)視標(biāo)準(zhǔn)和初始化方法同上。模擬計(jì)算收斂后，利用TECPLOT軟件進(jìn)行后處理，得到局部速度云圖如圖10所示。

圖10 實(shí)體網(wǎng)模型條件下的流場(chǎng)

由圖10可以看出：實(shí)體網(wǎng)對(duì)廓線風(fēng)速的影響顯著，流場(chǎng)變化比較符合實(shí)際情況。實(shí)體網(wǎng)的作用，使來流在網(wǎng)前出現(xiàn)擠壓，網(wǎng)頂部產(chǎn)生加速區(qū)，由于4 mm×4 mm均勻孔的存在，使得網(wǎng)體后出現(xiàn)均勻的氣流，速度值呈先減小后增加的微梯度變化趨勢(shì)。

3種模型對(duì)來流的作用效果相似，均具有削弱來流強(qiáng)度，整合網(wǎng)后流場(chǎng)的作用。多孔介質(zhì)模型和壓力跳躍模型都實(shí)現(xiàn)了HDPE網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算，體現(xiàn)在采用各種模型對(duì)HDPE網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，網(wǎng)背風(fēng)側(cè)都不存在渦流區(qū)，這與實(shí)際情況相符(圖11)，而HDPE網(wǎng)對(duì)來流的消減作用與其開孔率有密切的關(guān)系，開孔率越大，消減來流程度越小，當(dāng)網(wǎng)的開孔率發(fā)生變化后，需要針對(duì)性地做風(fēng)洞壓降試驗(yàn)獲取計(jì)算參數(shù)后再進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算。

以上對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，3種方法對(duì)HDPE網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的規(guī)律相同，但從網(wǎng)體前后不同位置上速度分布的具體值分析可知，由于在數(shù)值計(jì)算中均未考慮網(wǎng)體的彈性模量，導(dǎo)致相應(yīng)位置速度值有一定的偏差，而壓力跳躍模型方法與風(fēng)洞數(shù)據(jù)的擬合仍較為理想。由圖11可見，實(shí)體模型方法在相應(yīng)位置處的速度值均小于其他模型方法，主要因?yàn)閷?shí)體模型模擬計(jì)算無法產(chǎn)生變形，即計(jì)算過程中默認(rèn)網(wǎng)體剛度無限大，實(shí)體模型網(wǎng)經(jīng)緯孔的邊界層顯著地消減來流風(fēng)速，同樣多孔介質(zhì)區(qū)域和壓力跳躍面也沒有設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格，未能反映網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響效應(yīng)；多孔介質(zhì)模型方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)多道網(wǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，能夠考慮區(qū)域范圍內(nèi)的流場(chǎng)消減效果，故比較適合三維模型的模擬計(jì)算；對(duì)于單片HDPE網(wǎng)，壓力跳躍模型方法與風(fēng)洞數(shù)據(jù)擬合較好，因此，僅考慮單道網(wǎng)對(duì)流場(chǎng)的控制作用時(shí)，可采用壓力跳躍模型方法。

圖11 不同模型條件下流場(chǎng)內(nèi)速度對(duì)比

3 結(jié) 論

(1)HDPE網(wǎng)在物性參數(shù)確定條件下，開孔率為55%，平均孔目尺寸為0.98×1.14 mm的物性條件下進(jìn)行風(fēng)洞壓降測(cè)試，獲得內(nèi)部阻力系數(shù)為1 305.39；黏性阻力系數(shù)為175 298 982.9，為今后進(jìn)行類似網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算提供了計(jì)算依據(jù)。

(2)對(duì)HDPE網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用壓力跳躍模型方法和多孔介質(zhì)模型方法所的計(jì)算流場(chǎng)都與實(shí)際相符合，即網(wǎng)背風(fēng)側(cè)不存在渦流區(qū)，網(wǎng)將來流分割為兩部分，一部分為網(wǎng)上的擾流，一部分為透過網(wǎng)的滲透流，網(wǎng)后最終的流場(chǎng)體現(xiàn)在兩部分流體的相互作用結(jié)果上。

(3)壓力跳躍模型方法用于計(jì)算分析已知速度—壓降的網(wǎng)，計(jì)算收斂性好，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)后滲透流的降速，網(wǎng)上擾流的增速，與實(shí)際情況相符合，對(duì)比3種模型可知，壓力跳躍模型的跳躍界面對(duì)來流的控制與網(wǎng)的作用規(guī)律一致。

(4)多孔介質(zhì)模型方法與壓力跳躍模型方法類似，不同之處在于，多孔介質(zhì)模型多針對(duì)三維計(jì)算模型，可以對(duì)某區(qū)域進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而壓力跳躍模型方法則是二維計(jì)算模型，針對(duì)網(wǎng)的數(shù)值計(jì)算，既可以把網(wǎng)看成二維流場(chǎng)中的1個(gè)界面，也可以看作為三維計(jì)算模型中的1個(gè)降速區(qū)域，采用2種模型在參數(shù)設(shè)定爭(zhēng)取的前提下，計(jì)算結(jié)果都真實(shí)可靠，針對(duì)網(wǎng)的模擬計(jì)算，考慮網(wǎng)厚度可采用多孔介質(zhì)模型，不考慮網(wǎng)厚度可采用壓力跳躍模型。

限于篇幅有限，沒有考慮網(wǎng)體隨流體改變，將在后續(xù)研究中加以說明。